對于完成某一任務(wù)的換熱器,往往有多個選擇,如何確定的換熱器,是換熱器優(yōu)化的問題,即采用優(yōu)化方法使設(shè)計的換熱器滿足的目標函數(shù)和約束條件。在換熱器設(shè)計中,目標函數(shù)是指包括設(shè)備費用和操作費用在內(nèi)的總費用。擋板可以提高殼體側(cè)流體的速度，迫使流體按規(guī)定的距離多次通過管束，提高流體的湍流程度。本文主要針對管殼式水冷卻器冷卻水出口溫度的優(yōu)化問題,利用一般優(yōu)化設(shè)計的原理和方法,以操作費用為優(yōu)化目標,給出相應(yīng)的目標函數(shù),并用MATLAB語言編寫了計算程序,后給出了一個計算實例。

1目標函數(shù)

　　對于以水為冷卻介質(zhì)的管殼式冷卻器,進口水溫一定時,由傳熱學(xué)的基本原理分析可知,冷卻水的出口費用將影響傳熱溫差,從而影響換熱器的傳熱面積和投資費用。⑤釜式換熱器釜式換熱器結(jié)構(gòu)特點是在殼體上部設(shè)置適當?shù)恼舭l(fā)空間，同時兼有蒸汽室的作用。若冷卻水出口溫度較低,所需的傳熱面積可以較小,即換熱器的投資費用減少;但此時的冷卻水的用量則較大,所需的操作費用增加,所以存在使設(shè)備費用和操作費用之和為的冷卻水出口溫度。

　　設(shè)換熱器的年固定費用FA = KF.CA.A (1)式中FA———換熱器的年固定費用,元;KF———換熱器的年折舊率, 1 /y;CA———換熱器單位傳熱面積的投資費用,元/m2 ;A———換熱器的傳熱面積,m2。換熱器的年操作費用FB =Cu?WuHy/1000 (2)式中FB———換熱器的年操作費用,元;Cu———單位質(zhì)量冷卻水費用,元/噸;Wu———換熱器冷卻水用量, kg/h;Hy———換熱器每年運行時間, h。不銹鋼除主要用于不同的耐腐蝕條件外，奧氏體不銹鋼還可作為耐高、低溫的材料。因此換熱器的年總費用即目標函數(shù)F = FA FB = KFCAA Cu?WuHy/1000 (3)2A與Wu的數(shù)學(xué)模型———熱平衡方程換熱器的熱負荷為Q =GcPi ( T1 - T2 ) (4)式中Q———換熱器的熱負荷, kJ /h;G———換熱器熱介質(zhì)處理量, kg/h;cpi———熱流體介質(zhì)比熱容, kJ / ( kg?℃) ;T1、T2———熱流體的進出口溫度,℃。

管殼式換熱器在制作時，管板與列管的焊接一般采用手工電弧焊，焊縫形狀存在不同程度的缺陷，如凹陷、氣孔、夾渣等，焊縫應(yīng)力的分布也不均勻。使用時管板部分一般與工業(yè)冷卻水接觸，而工業(yè)冷卻水中的雜質(zhì)、鹽類、氣體、微生物都會構(gòu)成對管板和焊縫的腐蝕，這就是我們常說的電化學(xué)腐蝕。研究表明，工業(yè)水無論是淡水還是海水，都會有各種離子和溶解的氧氣，其中氯離子和氧的濃度變化，對金屬的腐蝕形狀起重要作用。另外，金屬結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度也會影響腐蝕形態(tài)。將熱管元件按一定行列間距布置，成束裝在框架的殼體內(nèi)，用中間隔板將熱管的加熱段和散熱段隔開，構(gòu)成熱管換熱器。因此，管板與列管焊縫的腐蝕以孔蝕和縫隙腐蝕為主。從外觀看，管板表面會有許多腐蝕產(chǎn)物和積沉物，分布著大小不等的凹坑。以海水為介質(zhì)時，還會產(chǎn)生電偶腐蝕。化學(xué)腐蝕就是介質(zhì)的腐蝕，換熱器管板接觸各種各樣的化學(xué)介質(zhì)，就會受到化學(xué)介質(zhì)的腐蝕。另外，換熱器管板還會與換熱管之間產(chǎn)生一定的雙金屬腐蝕。

管殼式換熱器

填料函式換熱器 填料函式換熱器其結(jié)構(gòu)特點是管板只有一端與殼體固定連接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸縮，不會產(chǎn)生因殼壁與管壁溫差而引起的溫差應(yīng)力。

填料函式換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)較浮頭式換熱器簡單，制造方便，耗材少，造價低；管束可從殼體內(nèi)抽出，管內(nèi)、管間均能進行清洗，維修方便。其缺點是填料函耐壓不高，一般小于4.0MPa；

殼程介質(zhì)可能通過填料函外漏，對、、有毒和貴重的介質(zhì)不適用。填料函式換熱器適用于管、殼壁溫差較大或介質(zhì)易結(jié)垢，需經(jīng)常清理且壓力不高的場合。

⑤釜式換熱器 釜式換熱器結(jié)構(gòu)特點是在殼體上部設(shè)置適當?shù)恼舭l(fā)空間，同時兼有蒸汽室的作用。

管束可以為固定管板式、浮頭式或U 型管式。釜式換熱器清洗維修方便，可處理不清潔、易結(jié)垢的介質(zhì)，并能承受高溫、高壓。它適用于液-汽式換熱，可作為簡結(jié)構(gòu)的廢熱鍋爐。

設(shè)計計算

1.殼體壁厚計算（包括管箱短節(jié)、封頭、殼程筒體的壁厚計算）管、殼程筒體壁厚應(yīng)滿足GB151中壁厚的規(guī)定，對于碳素鋼和低合金鋼壁厚是按腐蝕裕量C2=1mm考慮的，對于C2大于1mm的情況，殼體的壁厚應(yīng)相應(yīng)增加。

2.開孔補強計算

對于殼體采用鋼管制的，建議采用整體補強（增加筒體壁厚或采用厚壁管）；對于比較厚的管箱上開大孔考慮綜合經(jīng)濟性

不另行補強應(yīng)滿足的幾點要求：

①設(shè)計壓力≤2.5Mpa

②相鄰兩孔中心距應(yīng)不小于兩孔直徑之和的兩倍

③接管公稱直徑≤89mm

④接管壁厚應(yīng)表8-1的要求（接管腐蝕裕量為1mm）